摘要：硬件在環(huán)仿真對于驗(yàn)證異步電機(jī)控制器的功能至關(guān)重要。為了提高電機(jī)控制器的驗(yàn)證效率和降低驗(yàn)證成本，開發(fā)了一種基于VT System 的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)。系統(tǒng)的模型架構(gòu)采用了基于電機(jī)臺(tái)架對拖的設(shè)計(jì)思路，由逆變器子模塊、異步電機(jī)子模塊、旋轉(zhuǎn)變壓器子模塊和故障注入子模塊4 部分組成，可確保電機(jī)控制器在不同轉(zhuǎn)速下能夠輸出相應(yīng)扭矩，并且模擬故障情況。結(jié)果表明，基于VT System 的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)可有效地模擬異步電機(jī)行為并注入故障，為電機(jī)控制器的功能驗(yàn)證提供有效支持。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制器；硬件在環(huán)；仿真測試技術(shù)；VT System；故障注入

0 前言

電動(dòng)汽車的三大核心部件為電池、電機(jī)和電控。電機(jī)控制器作為電控系統(tǒng)的核心，其工作效率隨著技術(shù)發(fā)展不斷提升。汽車行業(yè)的電機(jī)控制器開發(fā)通常遵循V 模型流程，測試方法主要包括基于模型的軟件測試、基于硬件在環(huán)（HIL）的測試方法，以及基于真實(shí)電機(jī)臺(tái)架的測試。其中，電機(jī)對拖試驗(yàn)臺(tái)架能夠模擬電機(jī)在運(yùn)行過程中的各種工況，并且能夠在臺(tái)架上實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)故障的輸入，從而有效地驗(yàn)證電機(jī)控制器的各項(xiàng)功能。然而，這種測試方法的成本較高，并且測試周期較長。相對而言，基于模型的測試方法可以在軟件模型開發(fā)階段對控制模型進(jìn)行測試，以驗(yàn)證控制策略的有效性。但是，其缺點(diǎn)在于控制對象的模型可能過于簡化，無法真實(shí)地反映實(shí)際的測試情況，導(dǎo)致測試內(nèi)容受到限制。綜合考慮電機(jī)控制器的研發(fā)效率與成本，通常情況下，選用HIL 測試系統(tǒng)是一種較為合理的方案。

1 硬件在環(huán)測試技術(shù)

國內(nèi)外的高校、測試設(shè)備供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)很早就投入了HIL 測試系統(tǒng)的開發(fā)工作。目前，在工業(yè)界使用較為廣泛的平臺(tái)包括Dspace、PXIVerstand、LabCar 等平臺(tái)，以及由MATLAB 公司開發(fā)的實(shí)時(shí)HIL 系統(tǒng)［3］。這些國內(nèi)外公司提供的HIL 測試系統(tǒng)平臺(tái)能夠較好地滿足電機(jī)控制器的功能測試需求。然而，各試驗(yàn)平臺(tái)的價(jià)格普遍較高，且內(nèi)部運(yùn)行的模型不開源，導(dǎo)致新功能開發(fā)困難。

基于上述問題，本文提出了一種基于VTSystem 的異步電機(jī)控制器HIL 測試系統(tǒng)。為了提高HIL 平臺(tái)的實(shí)時(shí)性能，采用VT System 的FPGA VT 5838 板卡來進(jìn)行模型搭建。模型在VT 5838 板卡上運(yùn)行能夠確保平臺(tái)的實(shí)時(shí)性，并且可以靈活配置電機(jī)參數(shù)，從而提高被控對象的精確性與多樣性。

2 異步電機(jī)硬件在環(huán)

基于VT System 的硬件在環(huán)測試系統(tǒng)組成如圖1 所示，主要包含VT System 臺(tái)架、計(jì)算機(jī)主機(jī)與電機(jī)控制器控制板。其中，計(jì)算機(jī)主機(jī)通過以太網(wǎng)與VT System 臺(tái)架相連接，用于監(jiān)控各VT System 板卡的輸出狀態(tài)。電機(jī)控制器控制板則通過V 1640 硬件與計(jì)算機(jī)主機(jī)相連，以監(jiān)控電機(jī)控制器控制板的通信報(bào)文。電機(jī)控制器控制板上需要模擬的信號(hào)包含各種傳感器信號(hào)和控制信號(hào)，這些信號(hào)是通過VT System 板卡來模擬的。

電機(jī)對拖試驗(yàn)臺(tái)架中，被測試的控制器處于扭矩模式，而拖動(dòng)電機(jī)處于轉(zhuǎn)速模式。由于拖動(dòng)電機(jī)能夠控制轉(zhuǎn)速，被測試的電機(jī)控制器可以在不同的轉(zhuǎn)速下面輸出不同的扭矩。為實(shí)現(xiàn)這一功能，可以參照電機(jī)對拖模式設(shè)計(jì)模型架構(gòu)。

2. 1 逆變器子模塊

逆變器子模塊的主要器件為六相功率開關(guān)器件。為了簡化數(shù)學(xué)模型，將六相功率開關(guān)器件抽象為開關(guān)。模型的輸入?yún)?shù)為兩相直流母線電壓和上橋臂功率開關(guān)器的數(shù)字信號(hào)。輸出為三相交流電壓，其物理計(jì)算公式為：

將三相靜止坐標(biāo)軸下的A 相電壓、B 相電壓、C 相電壓轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系下，得到 uα、uβ，其計(jì)算公式為：

基于虛擬測試硬件在環(huán)（VTHIL）系統(tǒng)的模型架構(gòu)主要為4 部分，其系統(tǒng)模型架構(gòu)如圖2 所示。其中，Ia 為A 相電流，I b 為B 相電流，I c 為C 相電流；高壓直流電（HVDC）通過逆變器模塊輸出三相電壓給異步電機(jī)，異步電機(jī)模型隨后輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)給旋轉(zhuǎn)變壓器子模塊，然后通過改變?yōu)檎?余弦波（sin/cos）故障信號(hào)進(jìn)入故障輸入子模塊，對最終的輸出信號(hào)進(jìn)行處理。

2. 2 異步電機(jī)子模塊

異步電機(jī)子模塊的數(shù)學(xué)模型可以在3 種不同的坐標(biāo)系下面進(jìn)行表示：三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，各種參數(shù)之間參數(shù)耦合較高，導(dǎo)致模型搭建困難；兩相靜止坐標(biāo)下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型相對簡單，且不需要估算電機(jī)的電角度，模型搭建過程更為簡便；兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型最為簡單，但是需要采用復(fù)雜的觀測器來估算電機(jī)的電角度，增加了模型搭建的難度。綜合考慮上述因素，最終選擇了基于兩相靜止坐標(biāo)下面的電機(jī)數(shù)學(xué)模型［ 4］。其電機(jī)定子電流計(jì)算公式為：

2. 3 旋轉(zhuǎn)變壓器子模塊

旋轉(zhuǎn)變壓器子模塊主要由3 部分組成，一組勵(lì)磁繞組和兩組垂直的反饋繞組，這些繞組均安裝在電機(jī)的定子上。在正常工作狀態(tài)下，高頻的激勵(lì)信號(hào)作用于兩組垂直端產(chǎn)生正弦電流，反饋繞組感應(yīng)的信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)速呈函數(shù)關(guān)系［6］，其計(jì)算公式為：

2. 4 故障輸入子模塊

故障注入子模塊接收來自計(jì)算機(jī)主機(jī)的控制信號(hào)，以便對三相電流信號(hào)和旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)進(jìn)行故障模擬。其工作原理是對輸入的三相電流信號(hào)和旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，通過改變輸出的信號(hào)值達(dá)到觸發(fā)不同類型故障的目的。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)各子模塊的數(shù)學(xué)公式與運(yùn)行邏輯在Simulink 軟件中搭建FPGA 模型進(jìn)行編譯，將編譯完成的模型下載到VT 5838 板卡上。根據(jù)圖1 中計(jì)算機(jī)主機(jī)、VT System 臺(tái)架與異步電機(jī)控制器控制板的線束連接關(guān)系，搭建VT System HIL 測試環(huán)境進(jìn)行測試試驗(yàn)。試驗(yàn)驗(yàn)證主要包含兩個(gè)部分內(nèi)容：首先，需要驗(yàn)證HIL 臺(tái)架是否能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩閉環(huán)；其次，需要驗(yàn)證HIL 臺(tái)架是否能夠?qū)崿F(xiàn)三相電流與旋轉(zhuǎn)變壓器相關(guān)故障注入。

3. 1 扭矩閉環(huán)

為驗(yàn)證VT System HIL 測試系統(tǒng)是否具備實(shí)現(xiàn)扭矩閉環(huán)控制的功能，設(shè)計(jì)在不同轉(zhuǎn)速下請求不同扭矩工況的試驗(yàn)，見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同轉(zhuǎn)速下扭矩的跟蹤情況表現(xiàn)良好，具體數(shù)據(jù)如圖3 和圖4 所示。

3. 2 故障注入

為驗(yàn)證VT System HIL 測試系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)故障注入功能，設(shè)計(jì)故障注入試驗(yàn)。通過計(jì)算機(jī)主機(jī)控制變量，對三相電流和旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，以注入不同類型的故障。其中，三相電流故障主要包含電流傳感器對地短路故障和電流傳感器對電源短路故障兩種情況，具體的故障注入工況見表2。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6 所示。旋轉(zhuǎn)變壓器故障主要包含sin/cos 對地短路故障和sin/cos對電源短路故障，具體的故障注入工況見表2。采用表3 列出的工況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8 所示。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，該HIL 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三相電流與旋轉(zhuǎn)變壓器的故障注入功能。

4 結(jié)語

針對異步電機(jī)HIL 測試系統(tǒng)，提出了一種基于VT System 的測試方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。與現(xiàn)有的HIL 測試平臺(tái)相比，VT 5838 板卡能夠直接集成到VT 機(jī)箱中，具有較高的系統(tǒng)集成度；通過計(jì)算機(jī)主機(jī)軟件，用戶可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型參數(shù)運(yùn)與故障注入?yún)?shù)，模擬異步電機(jī)各種動(dòng)態(tài)極限工況與故障注入。此外，通過修改相關(guān)的異步電機(jī)參數(shù)，還可以能夠模擬不同類型異步電機(jī)的工作狀態(tài)。

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